测量学实验

实验1：霍尔传感器测量

【实验目的】

1. 了解霍尔传感器工作原理与应用。

2. 通过电路实验学习直流激励时霍尔传感器特性。

【实验原理】

图1.1 霍尔传感器

霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的物体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。

把一块宽为b，厚为d的导电板放在磁感应强度为B的磁场中，并在导电板中通以纵向电流I，此时在板的横向两侧面,之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可以用洛伦兹力来解释），所产生的电势差U H称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为：

U H= K H IB

K H＝ R H／d灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用N型半导体材料（金属材料中自由电子浓度ｎ很高，因此U

H 极小，不宜作霍尔元件），厚度d只有1 um左右。

很小，使输出U

H

霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。使用霍尔元件探测磁场的电路如下图所示。

图1.2 霍尔元件探测磁场电路

【实验所需传感器与元器件】

霍尔传感器3144 *1

电阻10kΩ *1

磁铁 *1

【实验步骤】

1. 将霍尔元件插入面包板，并连接好测量电路，Vout 连接至【AI0+】，如下图所示。

图1.3 实际电路图

2. 检查电路无误后先接入NI myDaq，观察电源指示开关亮起，等待计算机识别设备。

3. 打开 NI ELVISmx Instrument Launcher。选择【Oscilloscope】，选择示波器通道为

AI0，点击运行。当霍尔元件附近没有磁场源时，电压输出为高。

图1.4 霍尔元件附近无磁场源时的输出

4. 将磁铁靠近霍尔元件，输出将会发生变化，由示波器可以看出输出由高变为低。注意，

由于霍尔元件仅对某一方向的磁场敏感，因此如果检测不到输出电压的变化可适当变换磁铁方向。

图1.5 主程序框图

5. 点击“Stop”按键，退出N I ELVISmx Instrument Launcher。

【拓展实验】

利用霍尔元件设计一个接触式开关。

实验2：光敏传感器测量

【实验目的】

1. 了解光敏电阻的光电特性。

2. 了解光敏电阻光电流、暗电流测量方法。

3. 了解光敏电阻伏安特性、光照特性测量方法。

【实验原理】

图2.1 光敏电阻

光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际上光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。

图2.2 光敏电阻内部结构

光敏电阻的结构很简单，上图为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀

地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线

端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上

覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。

光敏电阻的主要参数：

（1）暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

（2）亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

（3）光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。

在测量光敏电阻的暗电流时，应先将光敏电阻置于黑暗环境中30分钟以上，否则电压表

的读数会较长时间后才能稳定。将光敏电阻完全置入黑暗环境中，使用万用表电阻档测量光敏

电阻引脚输出端，即可得到光敏电阻的暗电阻R暗。由于光敏电阻的个体差异，某些暗电阻可

能大于200兆欧，属于正常现象。

在一定的光照条件下由使用万用表电阻档测量光敏电阻引脚输出端，即可得到光敏电阻

的暗电阻R亮。

亮电阻与暗电阻之差等于光电阻，R光=R暗-R亮，光电阻值越大，光敏电阻的灵敏度越高。

光敏电阻的基本特性：

（1）伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。

（2）光照特性：是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。

（3）光谱特性：光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光灵敏度与入射波长的关系称为光敏

电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。

（4）时间特性：实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的

光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。

我们采用分压式电路来测量光敏电阻的伏安特性，将光敏电阻和1kΩ电阻串联接入AO0+，通过改变AO0的输出值来获得光敏电阻的伏安特性。

【实验所需传感器与元器件】

光敏电阻T12518 *1

电阻1kΩ *1

【实验步骤】

1. 连接分压式电路，如下图所示。